Ce travail, réalisé au sein du laboratoire de chimie organique et médicinale de Louvain-la-Neuve, concerne la biocompatibilisation active de matériaux polymères de synthèse par des modifications ciblées de leur surface. Le polymère considéré dans le cadre de cette étude est le poly(éthylèneterephtalate) sous forme de membranes micro-poreuses « track-etched » (tePET) utilisées en cultures cellulaires. Notre stratégie scientifique se base sur le greffage covalent de signaux biologiques (peptidomimétiques) issus de la chimie médicinale. Ces molécules sont reconnues par des récepteurs transmembranaires, les intégrines, impliqués dans l’adhésion ferme des cellules. Les recherches sont articulées autour de deux grands axes. Le design et la synthèse des ligands des récepteurs visés (αVβ3) constitueront la première partie de l’ouvrage. Une voie de synthèse rapide et efficace vers les différentes molécules cibles a été mise au point. L’affinité des ligands pour le récepteur isolé a été évaluée in-vitro (Test de type ELISA). Une tentative d’analyse des résultats est fournie par une approche théorique de modélisation. Les meilleurs candidats sélectionnés ont été équipés d’un bras d’ancrage pour la poursuite de leur développement et finalement participer aux campagnes de greffages. La seconde partie est centrée sur l’étude par diverses techniques de la réactivité des fonctions de surface du tePET par une nouvelle voie utilisant un dérivé halogéné de la triazine. Suite à une optimisation systématique des conditions d’activation, nous avons pu réaliser la fixation covalente de nos ligands avec des rendements de 50 à 140pmol/cm2 de surface. L’étude de l’adhésion primaire de cellules endothéliales nous a permis d’évaluer la biocompatibilisation apportée par la modification des surfaces avec nos ligands. De plus, une étude d’adhésion cellulaire sur les surfaces stérilisées par deux techniques classiques nous a permis d’évaluer la stabilité de nos matériaux. Dans tous les cas, les supports en tePET greffés avec des ligands synthétiques (peptidomimétiques RGD) des intégrines αVβ3, présentent des propriétés d’adhésion cellulaire (cellules HSV) supérieures aux supports de références pro-adhésifs (tePET+gélatine A) ; la stérilisation ne modifie quasi pas ces bonnes propriétés. Finalement, une application de nos ligands greffables a été réalisée dans le cadre des agents de contraste en imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM). Une de nos molécules, greffée à la surface de micro-particules d’oxyde de fer permet de les vectoriser et ainsi d’en augmenter la capture par des cellules cancéreuses stimulées.

L’hydroxyapatite est un biomatériau bioactif largement utilisé pour la réparation et la reconstruction des défauts osseux, cependant, son efficacité est souvent limitée par sa faible densité. Le présent travail constitue une nouvelle contribution à l’étude des biocéramiques compacts nanostructurés qui sont considérés comme étant des matériaux facilement implantables au niveau osseux et dentaire. Des nanoparticules anisotropes d’hydroxyapatites ont été synthétisées par hydrolyse forcée en milieu polyol, en vue d’améliorer les caractéristiques mécaniques des biocéramiques apatitiques. Les nanopoudres obtenues ont été consolidées par le processus non-conventionnel tel que le frittage flash (spark plasma sintering, SPS) aboutissant à des massifs d’hydroxyapatites nanostructurés 3D. Ces derniers ont montré des performances morphologiques similaires à celles utilisés dans l’industrie, d’autre part, elles ont montré des performances mécaniques améliorées avec une dureté allant jusqu’à 9 GPa. / Hydroxyapatite is a biomaterial bioactive largely used for the reparation and the reconstruction of the bone and dental defects. However, the performance of the hydroxyapatite is limited by its low density. The present work forms a new contribution in the study of compact nanostructured biomaterials. These later are considered as facile implantable materials to bones ant dents. Anisotropic nanoparticle hydroxyapatites were synthesized by forced hydrolysis in a polyol medium in order to ameliorate the mechanic characteristics of bioceramic hydroxyapatites. The obtained nanopowders were consolidated by the nonconventional process spark plasma sintering (SPS) resulting to 3D nanostructure massive hydroxyapatites. The morphological performances were found to be similar to that which used in industries. On the other hand, the elaborated massive nanostructures have shown an ameliorated mechanical performance with 9 GPa hardness.

Les lésions, les maladies et les dysfonctionnements des organes tubulaires représentent un défi unique pour les bio-ingénieurs et les cliniciens. Une approche multidisciplinaire doit être appliquée pour réussir à développer des organes fonctionnels issus de l'ingénierie tissulaire (TE). Dans la recherche actuelle concernant la fabrication d'organes tubulaires fonctionnels, il manque un lien qui se concentre sur la corrélation entre (i) les exigences mécaniques et biologiques de la conception de l'échafaudage dictées par la structure anatomique et les fonctions physiologiques, (ii) le processus de fabrication (y compris la sélection des matériaux et la technique de traitement) et (iii) les propriétés mécaniques et biologiques résultantes de l'organe tubulaire TE développé. Par conséquent, le présent doctorat vise à relever certains des défis actuellement rencontrés dans l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative, et plus particulièrement dans la réparation des tendons et la modélisation des parois vasculaires. À cette fin, des biomatériaux spécifiques ont été conçus et caractérisés, et de multiples techniques de fabrication des biomatériaux ont été évaluées. Dans une première partie de cette thèse, des nouveaux polymères polyvalents photoréticulables à base d'uréthane (AUP) ont été développés, ainsi que leur mise en œuvre comme matériaux de départ pour le développement d'échafaudages tubulaires. Parce que chaque tissu a ses propres exigences mécaniques et biologiques, et parce que chaque technique de traitement a ses propres défis spécifiques, une boîte à outils de AUPs a été proposée. Des AUPs basés sur un backbone de poly(éthylène glycol) (PEG) et un backbone de poly(ε-caprolactone) (PCL) avec différentes masses molaires ont été synthétisés. Les AUPs ont montré une large gamme de propriétés physiques et mécaniques, couvrant les propriétés de nombreux tissus et les rendant idéales pour la médecine régénérative d'un point de vue mécanique. En outre, les AUPs développés ont permis une réticulation UV efficace à l'état solide, ouvrant la voie à diverses possibilités de techniques de fabrication, notamment l'électrospinning en solution (SES), l'impression 3D par extrusion (3DP) et l'électrowriting en fusion (MEW). Une des possibilités de technique de fabrication mentionnées ci-dessus se trouve dans le MEW. Actuellement, l'un des défis associés à l'utilisation du MEW est la disponibilité limitée de matériaux compatibles. Par conséquent, dans cette thèse de doctorat, la MEW a été étudiée en tant que technique de fabrication émergente pour transformer les AUPs développés en constructions tubulaires avec une architecture prédéfinie et présentant des propriétés mécaniques réglables. Une deuxième technique de fabrication choisie pour évaluer le potentiel des AUP développés est le SES. L'une des applications biomédicales possibles des constructions tubulaires en médecine régénérative est la réparation des tendons. Afin de surmonter les défis actuellement rencontrés dans la réparation des tendons, une combinaison d'une approche mécanique (par la conception du matériau et de l'échafaudage) et biologique (par des médicaments anti-adhésion et anti-inflammatoires) a été proposée dans cette thèse. Une autre application possible des constructions tubulaires en médecine régénérative peut être trouvée dans le domaine de la TE vasculaire. Dans cette thèse, l'utilisation d'un échafaudage synthétique tubulaire comme renfort pour des modèles à base de collagène a été exploitée dans le but d'obtenir les propriétés mécaniques requises pour la modélisation de la paroi vasculaire. Trois techniques de fabrications différentes (SES, 3DP et MEW) ont été évaluées pour le développement du renfort tubulaire en polymère. Outre l'utilisation d'un échafaudage de renforcement synthétique pour obtenir des propriétés mécaniques supérieures dans les modèles de parois vasculaires à base de collagène, une autre approche consiste à maintenir l'intégrité structurelle des échafaudages par réticulation chimique, physique ou enzymatique. Par conséquent, dans la deuxième partie de cette thèse, un collagène photoréticulable aux propriétés ajustables a été développé et comparé à l'étalon-or de la TE, à savoir la gélatine modifiée par le méthacrylamide. La distribution de fragments photoréticulables sur un squelette protéique peut affecter le comportement de réticulation d'un biomatériau, et donc aussi ses propriétés mécaniques et biologiques. Une connaissance approfondie à cet égard est essentielle pour les biomatériaux exploités dans l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative, afin de permettre la transposition de nouveaux biomatériaux fonctionnalisés du laboratoire au chevet du patient, compte tenu des contraintes réglementaires. C'est pourquoi l'analyse protéomique a été évaluée comme un outil permettant de mieux comprendre les modifications des biopolymères photoréticulables. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse ont permis d'élargir la variété de biomatériaux, mais ont également permis de mieux comprendre certaines exigences critiques concernant la conception des biomatériaux, la technique de fabrication ainsi que les propriétés mécaniques et biologiques de l'échafaudage. / Injury, diseases and malfunctioning of tubular organs represent a unique challenge for bioengineers and clinicians. A multidisciplinary approach needs to be applied to successfully develop functional tissue engineered (TE) organs. In the current research regarding the regeneration of functional tubular organs, there is a missing link that focuses on the correlation between (i) the mechanical and biological requirements of the scaffold design dictated by the anatomical structure and physiological functions, (ii) the fabrication process (including material selection and processing technique) and (iii) the resulting mechanical and biological properties of the developed tubular TE organ. Therefore, the current PhD focuses on addressing some of the challenges currently encountered in tissue engineering and regenerative medicine, and more specifically, in tendon repair and vascular wall modeling. To this end, specific biomaterials were designed and characterized, and multiple biomaterial processing techniques were evaluated. In a first part of this PhD thesis, novel versatile photo-crosslinkable urethane-based polymers (AUPs) were developed, along with their implementation as starting materials for the development of tubular scaffolds. Because each tissue has its own mechanical and biological requirements, and because each processing technique has its own specific challenges, a toolbox of AUPs was proposed, taken into account the challenges and requirements while synthesizing and formulating the AUPs. AUPs based on a poly(ethylene glycol) (PEG) backbone versus a poly(ε-caprolactone) (PCL) backbone with different molar masses were synthesized (i.e. AUP PEG2k, 20k; AUP PCL530, 2k, 10k and 20k). The developed PEG- and PCL-based AUPs showed a broad range in physical and mechanical properties, covering the properties of many tissues and rendering them ideal for regenerative medicine from a mechanical perspective. Moreover, the developed AUPs enabled efficient UV-crosslinking in the solid state, paving the way towards various processing opportunities, including solution electrospinning (SES), extrusion-based 3D printing (3DP) and melt electrowriting (MEW). One of the above-mentioned processing opportunities can be found in MEW. At present, one of the challenges associated with the use of MEW is the limited availability of compatible materials. Therefore, in this PhD thesis, MEW was investigated as an emerging fabrication technique to process the developed AUPs into tubular constructs with a predefined architecture and exhibiting tunable mechanical properties. A second processing technique that was selected to evaluate the processing potential of the developed AUPs is SES. One possible biomedical application of tubular constructs in regenerative medicine can be found in tendon repair. In order to overcome the challenges currently encountered in tendon repair (i.e. insufficient mechanical properties along with adhesion and inflammatory issues), a combination of a mechanical (by material and scaffold design) and biological approach (by anti-adhesion and anti-inflammatory drugs) was proposed in this PhD thesis. Another possible application of tubular constructs in regenerative medicine can be found in the field of vascular TE. In this PhD thesis, the use of a tubular, synthetic scaffold as reinforcement for collagen-based models was exploited with the aim to achieve the required mechanical properties for vascular wall modeling. Three different processing techniques (i.e. SES, 3DP, and MEW) were evaluated for the development of the tubular, polymeric reinforcement. Apart from using a synthetic reinforcement scaffold to achieve superior mechanical properties in collagen-based vascular wall models, another approach includes maintaining the scaffolds's structural integrity by chemical, physical or enzymatic crosslinking. Therefore, in a second part in this PhD thesis, a photo-crosslinkable collagen (COL-MA) with tunable properties was developed and benchmarked against the gold standard in TE, being methacrylamide-modified gelatin (GEL-MA). The distribution of photo-crosslinkable moieties onto a protein backbone can affect a biomaterial's crosslinking behavior, and therefore also its mechanical and biological properties. A profound insight in this respect is essential for biomaterials exploited in tissue engineering and regenerative medicine to enable translation of novel, functionalized biomaterials from bench to bedside, given regulatory constraints and the need for perfectly defined and reproducible biomaterials. Therefore, proteomic analysis was evaluated as a tool to gain next level insights in photo-crosslinkable biopolymer modifications. The research conducted in this PhD thesis resulted in the expansion of the biomaterial portfolio, but also provided greater insight into some critical requirements regarding biomaterial design, the fabrication process, and the scaffold's resulting mechanical and biological properties.

Lors de cette étude, le potentiel des collagènes porcin et aviaire pour la fabrication d'un biomatériau à base de collagène et de chitosane a été évalué. L'utilisation de ces collagènes a été comparée à celle du collagène bovin, utilisé dans notre laboratoire depuis plusieurs années, pour la fabrication de ce biomatériau. Ce dernier, produit sous forme d'épongé, sert principalement de substitut dermique expérimental, mais pourrait éventuellement devenir un substitut dermique pour des applications cliniques. Nous avons pu démontrer que les collagènes porcin et aviaire pouvaient être utilisés comme alternatives au collagène bovin pour la production de biomatériaux pour ce qui est des paramètres de colonisation cellulaire, des propriétés mécaniques et de la cytotoxicité. Il nous est apparu évident que le changement de source de collagène nécessitait l'optimisation des ratios de collagène et de chitosane ainsi que des paramètres de lyophilisation afin de moduler la taille des pores des éponges produites.

Avec la constante augmentation des prix du pétrole et la diminution des ressources fossiles, des alternatives « vertes » doivent être trouvées. Ainsi, des premières recherches ont été menées sur la possibilité de mettre au point des colles pour panneaux à base de bois dans lesquelles une partie du phénol a été substituée par des protéines de blé. De même, les tanins sont des molécules polyphénoliques naturelles et peuvent être une alternative aux produits chimiques de synthèse issus du pétrole. Les tanins de châtaignier, tanins hydrolysables, ont été utilisés afin de substituer une partie du phénol lors de la synthèse de résines phénoliques. Ces résines ont été étudiées et utilisées pour la fabrication de mousses phénoliques rigides. Cette démarche constitue un pas de plus vers la mise au point et la future commercialisation de matériaux plus respectueux de l’environnement. En outre, les tanins ont également été utilisés lors du développement de mousses rigides biosourcées tanins-furaniques, cette fois-ci il s’agit de tanins condensés : tanins de quebracho, couplés à de l’alcool furfurylique (d’origine agricole). Ces mousses « vertes » présentent une bonne résistance mécanique, de bonnes performances thermiques et elles ne brûlent pas, ainsi, elles sont totalement adaptées à une utilisation pour l’isolation des bâtiments. Enfin, de nouveaux types de matériaux issus de produits naturels (tanins et alcool furfurylique) ont été mis au point lors de cette thèse : des matériaux abrasifs et de friction biosourcés. Des roues abrasives et des disques abrasifs ont été développés et testés. Et des plaquettes de frein automobile ont été fabriquées et testées en conditions réelles. Tous ces nouveaux matériaux présentent d'excellentes propriétés par rapport aux matériaux commerciaux / With the constant increase of oil prices and with the dwindling of fossil resources, "green" alternatives must be found. Thus, first research was conducted on the possibility to develop synthetic phenolic adhesives for wood-based panels where a part of phenol was substituted by wheat proteins. Similarly, tannins which are natural polyphenolic molecules can be used as an alternative to synthetic chemical products. Chestnut tannin, a hydrolysable tannin was used to substitute part of phenol during the synthesis of phenolic resins. The characteristics of these resins were studied and the resins used for the manufacture of rigid phenolic foams. This is a new step towards the development and future commercialization of more environmentally friendly materials. Furthermore, condensed flavonoid tannins were also used in the development of tannins-furanic biobased rigid foams. Quebracho wood tannin extract was coupled with furfuryl alcohol another material of natural, agricultural origin. These "green" foams show good mechanical strength, good thermal performance and do not burn, thus they are entirely suitable for use in building insulation. Finally, new types of materials made from the same natural products (tannins and furfuryl alcohol) were developed during the research described in this thesis: biobased abrasive and friction materials. Abrasive wheels and abrasive discs for steel molding and steel cutting using a biobased matrix were thus developed and tested. Moreover, automotive brake pads were prepared and were tested under real vehicle application conditions. All these new materials showed excellent properties compared to commercial materials and yielded excellent results comparable and sometime superior to their synthetic commercial equivalents

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

En ingénierie tissulaire, la survie in vivo de cellules souches implantées au sein d’un biomatériau est limitée par les conditions d’un environnement ischémique qui se caractérise par un déficit en oxygène et en nutriments. Récemment, dans le cadre d’un projet de recherche dédié au développement d’un hydrogel composite à base de fibrine, biomatériau conçu pour améliorer la survie de cellules souches post-implantation, il a été mis en évidence la nécessité de contrôler dans le temps et l’espace la disponibilité du glucose au sein de ce matériau. Cet apport in situ de glucose est réalisé par dégradation contrôlée de l’amidon, un polymère de glucose. Cette production est assurée par action enzymatique d’un catalyseur spécifique de l’hydrolyse de l’amidon, l’amyloglucosidase (AMG).Toutefois, il convient de maitriser différents paramètres tels que la fuite de l’AMG en dehors de l’hydrogel ou encore sa perte d’activité au cours du temps. Dans ce contexte, l’encapsulation de l’AMG dans des nanoparticules d’un polymère biodégradable et biocompatible, ici l’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA), devrait permettre le contrôle des paramètres susmentionnés.Des nanoparticules de type core-shell contenant l’AMG (NPe) ont été synthétisés par l’adaptation d’un protocole de double émulsion (water-oil-water). Différentes méthodes ont été développées pour déterminer les propriétés physico-chimiques et biochimiques des nanoparticules produites. Le protocole de synthèse a été optimisé afin de produire des nanoparticules reproductibles et stériles utilisables dans des hydrogels implantables in vivo.Le cahier des charges de l’hydrogel enrichi en amidon et en NPe impose un apport continu du glucose pendant 1 mois. La stabilité des nanoparticules a été étudiée en solution et dans les hydrogels. La production de glucose grâce à ces NPe a été investiguée en solution et en hydrogel mettant en avant l’intérêt de ces nanoparticules au sein du dispositif. / In tissue engineering, the in vivo survival of stem cells located within a biomaterial is limited by an ischemic environment characterized by a low supply of oxygen and nutrients. Recent studies on fibrin based hydrogels (designed to improve stem cells survival after implantation) have highlighted the need to control the spatiotemporal availability of glucose within a biomaterial scaffold. Glucose release occurs through the degradation of starch, a glucose polymer, at a rate controlled by the action of the enzyme amyloglucosidase (AMG), a specific catalyst for the hydrolysis of starch.In order to eventually be of clinical impact, critical parameters must be tuned, such as the AMG leakage outside the hydrogel and its loss of activity over time. In this context, AMG encapsulation within nanoparticles of a biodegradable and biocompatible polymer, here poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), is a promising means toward controlling the above parameters.The AMG-containing core-shell type nanoparticles (NPe) were synthesized by an adaptation of the double emulsion technique (water-oil-water). Different methods have been developed to determine the physicochemical and biochemical properties of the resulting nanoparticles. The synthesis was optimized to produce sterile and reproducible nanoparticles appropriate for in vivo implantable hydrogels.Nanoparticle stability and glucose release were investigated in solution and in hydrogels. A key specification of the hydrogel system, enriched in starch and NPe, is the continuous supply of glucose over 1 month. Glucose production was observed to meet this specification, highlighting the potential advantages of this approach.

Des matériaux sandwichs fabriqués sans colle époxy on été conçu pour réduire les contraintes mécaniques, ou “stress shielding”, entre l’os environnant et l’implant. Le titane (Ti) et le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) sont les matériaux les plus utilisés dans les applications biomédicales, et on été choisi comme composants de base. Pour cela, on a élaboré des interfaces Ti/polymère dans lesquelles le métal et le polymère sont liés par une liaison covalente; cette couche de polymère permettra ultérieurement l’adhésion entre le métal et une feuille de polymère qui constituera le cœur du sandwich. Dans ce but, une stratégie en trois étapes permettant d’obtenir une fonctionnalisation de la surface du titane a été développé. Tout d’abord, la surface du Ti a été activée chimiquement; ensuite un initiateur de polymérisation y a été greffé de façon covalente. Enfin, la croissance des chaines polymères a été obtenue en utilisant une polymérisation par transfert d’atomes à partir de l’initiateur (SI-ATRP). Les sandwichs ont été préparés en insérant une feuille de polymère entre les deux feuilles de Ti recouvertes de polymère greffé et en pressant les trois composants à une température supérieure à celle de la transition vitreuse du polymère. / A procedure aimed at designing innovative epoxy resin-free sandwich materials (i.e., layered structure composed of two metal skin and a polymer core) able to reduce stress-shielding effect at the implant/bone interface was developed. For this purpose, titanium (Ti) and poly methymethacrilate (PMMA), the most extensively materials used for biomedical applications, were employed. In particular, surface-confined PMMA layers were proposed as adhesives to stick a PMMA foil (used as core of the structure) on the metallic Ti skin sheets exploiting the miscibility between the tethered polymer chains (previously grown on the Ti) and those of an adhering PMMA foil.To this purpose, a three steps strategy based on a suitable functionalization of Ti surface was developed. First of all, a chemical activation of Ti surface was performed. Then, a “grafting from” method was used to immobilize a polymerization initiator on the activated Ti surface. Finally, the polymer chains were grown from the initiator-modified surfaces using a surface initiation atom transfer radical polymerization (SI-ATRP). Biocompatible Ti/PMMA/Ti sandwiches were then prepared by hot-pressing, inserting between the two PMMA-coated Ti surfaces a thick PMMA foil.

Plus de 1 / Plus de 1.000.000 procédures chirurgicales et de nouveaux cas de déficiences squelettiques sont signalés chaque année. Les matériaux utilisés pour réparer les défauts osseux comprennent l'os autologue, les allogreffes, les ciments osseux, les métaux et les céramiques. Ces matériaux présentent de nombreux problèmes dont le risque de transmission de maladies, l'absence de biodégradation et d'ostéointégration. L'ingénierie tissulaire ralliant des cellules souches et un biomatériau compatible et biodégradable pourrait être une solution idéale pour améliorer la qualité de vie et le bien être de milliers de patients. Les objectifs de cette thèse sont (i) de produire un nouvel échafaudage s'approchant le plus possible de la trame d'un os humain; (ii) de démontrer l'efficacité des cellules souches dans la régénération de tissus osseux pour des applications cliniques; et (iii) de démontrer l'importance des facteurs de croissance comme les BMPs dans la régénération in vitro de tissus osseux. La réalisation du premier objectif nous a révélée qu'une combinaison de matériaux naturels comme le collagène et 1'hydroxy apatite avec un matériau synthétique le Poly acide (L-lactique-co-e-caprolactone) est un excellent choix puisque les propriétés mécaniques et biologiques de la nouvelle matrice sont comparables à celles de l'os natif. Les résultats du deuxième objectif nous démontrent que la combinaison de notre nouvel échafaudage composite avec des cellules souches pulpaires favorise la croissance, la différenciation et la formation de nodules osseuses. Ces paramètres sont favorisés par l'ajout de facteurs ostéogéniques comme la BMP-2. Nos travaux démontrent qu'une des meilleures possibilités pour régénérer in vitro un tissu osseux consiste à regrouper (i) un échafaudage de choix, composé de matériaux naturels et synthétiques, (ii) des cellules souches comme les cellules pulpaires et (iii) des facteurs ostéogéniques comme la BMP-2. Nos résultats démontrent de façon tangible l'efficacité d'une telle combinaison pour la régénération in vitro de tissus osseux. Ces résultats, particulièrement originaux, ouvrent la voie à des applications cliniques dans le domaine des substituts osseux. Des études in vivo devraient confirmer la pertinence d'une telle combinaison et son applicabilité en clinique pour combler les pertes osseuses chez les milliers de canadiens chaque année. / Over 1,000,000 surgical procedures and new cases of skeletal deficiencies are reported each year. Presently, materials used to repair bone defects include autogenous and allogenous bones, non-degradable bone cement, metals and ceramics. Allogenic tissues and materials used for bone reconstructions are associated with significant problems, such as availability, risk of transmission of diseases, non-biodegradable nature and the lack of cohesive attachment at bone-prosthesis interface. Bone tissue engineering therefore represents a new direction toward bone regeneration. The use of porous composite scaffolds in bone tissue engineering is a promising approach for bone regeneration and healing. Combining those composite materials with appropriate potentially osteogenic cell types is expected to further promote bone regeneration. The objectives of the present study are (i) to design a composite scaffold that includes natural materials such as collagen and hydroxy apatite, and synthetic material such biodegradable elastic poly(L-lactide-co-E-caprolactone) (PLCL) copolymer, (ii) investigate the usefulness of dental pulp stem cells to engineer bone tissue and (iii) demonstrate the efficacy of growth factor such as BMPs on bone tissue engineering. Using different chemical, biochemical, cell biology and molecular biology techniques, we were able to design a porous, 3D composite scaffold. This was non-toxic, biocompatible allowing osteoblast adhesion and growth. We were also able to extract dental pulp stem cells, differentiate them onto osteoblast. The cells, when cultured in the composite scaffold were able to adhere, proliferate and form bone nodules. It is important to notice that the use of BMP-2 promoted bone tissue formation in vitro. Taken together, these data suggested that combination of appropriate scaffold with stem cells and growth factors is an innovative strategy to engineer bone. It highlights the potential use of engineered biomimetic scaffolds in the bone tissue repair process.

Le vieillissement de la population augmentera l’incidence des troubles osseux, notamment les fractures ostéoporotiques, menant ainsi à des pertes osseuses de taille critique. La méthode privilégiée afin de combler ces pertes, l’autogreffe, comporte cependant des limitations. L’une des alternatives étudiées est l’utilisation de matériaux biomimétiques. Afin d’optimiser la régénération osseuse, les biomatériaux doivent interagir avec le tissu environnant. Ainsi, ces matériaux peuvent être fonctionnalisés avec des peptides d’adhésion, le peptide Arg-Gly-Asp (RGD) étant l’une des séquences les plus fréquemment utilisées. De plus, afin de favoriser la différenciation des cellules en ostéoblastes, l’utilisation de facteurs de croissance tels que les protéines morphogénétiques osseuses (BMPs) s’avère efficace, la BMP-2 et la BMP-7 étant approuvées par la Food and Drug Administration pour des applications commerciales de régénération osseuse. La BMP-9 a montré avoir un potentiel ostéogénique supérieur à ces dernières. Par contre, peu d’études portent sur l’influence des peptides d’adhésion sur la réponse des cellules aux BMPs. Ce projet de maîtrise a donc pour principal objectif d’étudier l’impact d’un film de polycaprolactone (PCL) fonctionnalisé par des peptides d’adhésion dérivés de la sialoprotéine osseuse (PCL-pBSP) ou de la fibronectine (PCL-pFibro) sur la réponse de cellules souches mésenchymateuses (MSCs) C3H10T1/2 à la BMP-9 et à ses peptides dérivés (pBMP-9 et SpBMP-9). En effet, les BMPs étant coûteux à produire et purifier, des peptides dérivés moins dispendieux ont été développés. Le premier volet de ce mémoire consiste en une revue de la littérature qui vient d’être acceptée dans le journal Frontiers in Bioscience. Le tissu osseux, le processus de réparation osseuse et les types d’interactions entre les cellules osseuses et les biomatériaux y sont décrits. Elle présente aussi le processus de différenciation ostéogénique des MSCs afin d’identifier les molécules pouvant être utilisées dans le développement de matériaux biomimétiques en plus de décrire les plus récents matériaux biomimétiques fonctionnalisés par des peptides d’adhésion utilisés conjointement avec des facteurs de croissance. Le deuxième volet décrit les résultats expérimentaux obtenus qui font l’objet d’un article soumis dans le journal Acta Biomaterialia. Il a été démontré que le PCL-pFibro par rapport au PCL-pBSP permettait une meilleure organisation du cytosquelette des C3H10T1/2 et une activation plus rapide de la focal adhesion kinase, protéine impliquée dans l’adhésion cellulaire. De plus, les 2 films de PCL fonctionnalisés ont montré un effet contraire au niveau de la signalisation JNK; le PCL-pFibro l’activait tandis que le PCL-pBSP l’inhibait. Or JNK est indispensable à la différenciation ostéogénique des C3H10T1/2 induite par la BMP-9. Suite à une stimulation des MSCs par la BMP-9 ou ses peptides dérivés, les C3H10T1/2 adhérant sur le PCL-pFibro ont montré une activation et une translocation nucléaire des Smad1/5/8 plus importantes que sur PCL-pBSP. À plus long terme, l’expression de Runx2, marqueur de la différenciation ostéogénique des MSCs, était plus importante sur PCL-pFibro que sur PCL-pBSP. En conclusion, ces travaux ont permis de démontrer le potentiel du PCL-pFibro comme matériau biomimétique capable d’induire une signalisation intracellulaire favorable à l’action de la BMP-9 et de ses peptides dérivés dans un processus de différenciation ostéogénique des MSCs. Ce matériau pourrait donc être prometteur dans une stratégie de réparation des pertes osseuses en combinaison avec le pBMP-9 ou SpBMP-9.